談江海
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第30研究所,四川成都610041)
短波通信具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),其設(shè)備簡(jiǎn)單、使用方便靈活、通信距離遠(yuǎn)、抗干擾強(qiáng),與有線通信及常規(guī)無線通信相比,短波通信介質(zhì)的電離層不易遭受人為的破壞。因此在現(xiàn)代軍事中,短波通信起著重要的作用,并有著廣泛的應(yīng)用。短波電臺(tái)是短波通信的主要載體,作為其重要組成部分之一的發(fā)射機(jī)系統(tǒng),如何進(jìn)一步消除雜波、諧波、有效控制發(fā)射機(jī)功率、可靠的保護(hù)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)成為短波電臺(tái)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。
文中重點(diǎn)介紹了短波電臺(tái)的發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),詳細(xì)討論了增益控制、保護(hù)控制的算法及實(shí)現(xiàn)方法,工程試驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)具有較好的性能。
電臺(tái)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)由基帶數(shù)字部分、信道部分和功放功率放大部分構(gòu)成?;鶐?shù)字部分發(fā)射中頻信號(hào)送入信道部分,經(jīng)混頻、放大、濾波處理后送入功率放大部分,信號(hào)放大后送入天線[1]。電臺(tái)發(fā)射機(jī)的主要功能是完成對(duì)輸入信號(hào)的調(diào)制、頻率改變、濾波、放大等功能。一般情況下,射頻發(fā)射機(jī)有兩種實(shí)現(xiàn)方式,一種是直接上變頻法,即將調(diào)制與上變頻在一個(gè)電路里完成;另外一種是超外差式,即將調(diào)制與上變頻分開,先在比較低的中頻進(jìn)行調(diào)制,再將調(diào)制好的信號(hào)變頻到發(fā)射到載波頻率上[2]。第二種方式目前使用較廣泛。
為了保證發(fā)射機(jī)保持最大效率,即在不同工作頻率、不同工作溫度,不同發(fā)射波形等條件下,都能夠滿功率發(fā)射,必須對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行有效的功率控制。同時(shí)為了保證發(fā)射機(jī)能夠可靠的工作,避免出現(xiàn)故障,必須設(shè)計(jì)好發(fā)射機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)。
對(duì)發(fā)射機(jī)的增益控制,可以從硬件和軟件兩方面入手來考慮。在硬件設(shè)計(jì)中,電臺(tái)采用了自動(dòng)電平控制(ALC),它是指當(dāng)輸入電平在較大范圍內(nèi)變化時(shí),輸出電平恒定不變或在允許的波動(dòng)范圍內(nèi)變化,即當(dāng)輸入信號(hào)功率很不穩(wěn)定或者有較大變化時(shí),經(jīng)過ALC環(huán)路控制后,輸出信號(hào)的功率值在較寬的頻帶上都會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)恒定的幅度值上,起到自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)增益的作用[3]。電臺(tái)主要采用了衰減器的環(huán)路反饋設(shè)計(jì)方法來控制功放系統(tǒng)增益。
軟件方面,則主要考慮發(fā)射功率的校準(zhǔn),其目的是保證發(fā)射機(jī)在不同的工作溫度、不同的頻率,都能輸出相同的功率。此外由于溫度、電流、電壓等變化都能引起發(fā)射功率變化,因此應(yīng)考慮自動(dòng)增益控制,既保護(hù)好發(fā)射機(jī),又同時(shí)使其發(fā)揮最大效率。
發(fā)射機(jī)在工作過程中,其溫度、電流、駐波比、發(fā)射功率等都在發(fā)生變動(dòng),發(fā)射機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的主要目的就是保證發(fā)射機(jī)在各種異常情況下不被損壞,并盡可能的堅(jiān)持工作[4]。其主要功能有兩方面:①在過壓、過流、過溫、過激勵(lì)的時(shí)候?qū)Πl(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)做相應(yīng)處理,并同時(shí)報(bào)警;②監(jiān)測(cè)發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài),電臺(tái)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、電流、溫度、發(fā)射功率,駐波比等信息,并上報(bào)到顯示終端。
在具體的保護(hù)控制設(shè)計(jì)中,通常需要考慮過激勵(lì)保護(hù)、駐波保護(hù)、溫度保護(hù)以及過流保護(hù)等,在發(fā)射機(jī)工作過程中,這些保護(hù)措施相互協(xié)作來完成保護(hù)控制。
短波電臺(tái)的發(fā)射控制系統(tǒng)基本的組成包括信道處理、功率放大器等。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,為了在中頻信號(hào)及射頻信號(hào)中濾出雜波及諧波,分別增加了預(yù)后選器和諧波濾波器。其基本的控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。
整個(gè)發(fā)射控制系統(tǒng)主要由信道處理單元、預(yù)后選器單元、選頻檢波單元、功率放大單元、功放保護(hù)單元等組成。其中功率檢測(cè)器件實(shí)時(shí)向功放保護(hù)單元上報(bào)正向和反向功率檢測(cè)電壓,利用該檢測(cè)值,可以計(jì)算出此時(shí)的發(fā)射功率以及駐波比,從而進(jìn)行激勵(lì)保護(hù)控制和駐波保護(hù)控制。功率放大器主要由驅(qū)動(dòng)放大器和末級(jí)功放組成,其中末級(jí)功放配有溫度檢測(cè)器,定時(shí)上報(bào)當(dāng)前溫度。功放保護(hù)單元和信道控制單元可以做出相應(yīng)的溫度保護(hù)控制和增益控制。
圖1 發(fā)射控制系統(tǒng)框Fig.1 Transmission control system frame
除射頻組件外,在具體的控制設(shè)計(jì)過程中,主要設(shè)計(jì)了信道控制板,功放控制板,以及顯示控制板。信道控制板主要功能是信道機(jī)控制,包括發(fā)射增益控制、收發(fā)控制、換頻控制等,同時(shí)還要和功放控制板以及顯示控制板通信,控制芯片采用DSP;功放控制板的主要功能是功放保護(hù)、正反向功率檢測(cè)電壓、功放溫度、電流等信息采集,狀態(tài)上報(bào)等,控制芯片采用單片機(jī);顯示控制板主要功能是菜單顯示,參數(shù)控制等,控制芯片采用ARM。這三塊板子之間通過網(wǎng)口和串口進(jìn)行通信,共同完成發(fā)射機(jī)系統(tǒng)控制。
由于發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的衰減器、預(yù)后選器、諧波濾波器等在不同工作頻率下、不同溫度下,其特性并不一致。比如對(duì)不同的頻率,輸出相同的發(fā)射衰減量,輸出的功率可能不一致,為了達(dá)到工作在任意頻率,發(fā)射機(jī)都能輸出相同的功率,必須進(jìn)行功率校準(zhǔn)。
在校準(zhǔn)之前,需要先進(jìn)行功率定標(biāo),即在整個(gè)短波頻段,根據(jù)濾波器的特性,每個(gè)頻段選擇部分頻率作為基準(zhǔn)參考點(diǎn)。借助于頻譜分析儀,對(duì)每個(gè)參考點(diǎn)進(jìn)行發(fā)射功率測(cè)定,確定該頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的正向功率參考值。定標(biāo)的算法流程圖如圖2所示。
定標(biāo)完成之后再進(jìn)行功率校準(zhǔn)。功率校準(zhǔn)前,需生成校準(zhǔn)頻率庫(kù)。選擇的依據(jù)是短波信道頻段劃分和濾波器特性,通常低頻段頻率選擇的多一些,高頻頻率選擇的少一些,同時(shí)濾波器頻率特性拐點(diǎn)處的頻率應(yīng)作為校準(zhǔn)頻率。
圖2 功率定標(biāo)算法流程Fig.2 Power confirming flow chart
自動(dòng)校準(zhǔn)開始后,電臺(tái)從第一個(gè)頻率開始校準(zhǔn),完成之后,再進(jìn)行第二個(gè)頻率校準(zhǔn),直到最后一個(gè)頻率校準(zhǔn)完成。此時(shí),會(huì)生成一張頻率與發(fā)射衰減量對(duì)應(yīng)的一張表。功率校準(zhǔn)的算法流程圖如圖3所示。
圖3 功率校準(zhǔn)算法流程Fig.3 Power adjusting flow chart
發(fā)射機(jī)工作過程中通過查表的方法確定當(dāng)前工作頻率對(duì)應(yīng)的控制衰減量,從而控制其發(fā)射功率。另外由于預(yù)后選器、功放等在不同的工作溫度,其輸出特性存在不一致,從而給發(fā)射功率帶來影響。因此,電臺(tái)專門測(cè)試出了溫度、功率的變化曲線,根據(jù)該曲線對(duì)發(fā)射功率再做進(jìn)一步的細(xì)微調(diào)整。通過實(shí)際的驗(yàn)證測(cè)試,發(fā)射功率的波動(dòng)范圍可以控制在-1~+0.5 dB范圍內(nèi),基本滿足實(shí)際需要。
發(fā)射機(jī)保護(hù)系統(tǒng)包括過激勵(lì)、過駐波、過溫保護(hù)等。諧波濾波器輸出檢波后的功率正向、反向電壓,然后功放控制單元的ADC進(jìn)行采集,計(jì)算并判斷是否過激勵(lì)或過駐波。功放控制單元直接通過溫度傳感器采集溫度,判斷溫度是否過高,當(dāng)過激勵(lì)、過駐波或過溫的時(shí)候,會(huì)關(guān)閉功放,并將這些狀態(tài)信息上報(bào)給信道控制單元進(jìn)行下一步處理。保護(hù)控制框圖如圖4所示。
圖4 保護(hù)控制框Fig.4 Protection control frame
2.2.1 發(fā)射機(jī)過激勵(lì)保護(hù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
過激勵(lì)保護(hù)是指發(fā)射功率超過額定值一定程度時(shí),為避免發(fā)射系統(tǒng)受到損壞而采取的相應(yīng)措施。
功放控制單元采集正向和反向功率電壓。需要指出的是,該檢測(cè)電壓值包含了噪聲電平。同時(shí),由于硬件電路的特性,該檢測(cè)電壓并不是絕對(duì)不變的,而是波動(dòng)的,有波峰、波谷。因此為了得到準(zhǔn)確的正、反向檢測(cè)電壓,一方面,應(yīng)首先檢測(cè)出各個(gè)頻段的正向和反向的噪聲電平。在實(shí)際的計(jì)算過程中,再分別減去各自的噪聲電平;另一方面,開始發(fā)射后,考慮到剛開始發(fā)射瞬間,功率可能出現(xiàn)過沖等不穩(wěn)定現(xiàn)象,因此采樣的時(shí)候,延時(shí)一段時(shí)候再采集數(shù)據(jù),并采集多個(gè)樣點(diǎn),求取的平均值作為最終值。通過這兩個(gè)方法,我們可以得到比較準(zhǔn)確的正、反向電壓,并據(jù)此計(jì)算出發(fā)射功率和駐波比。
具體的過激勵(lì)保護(hù)措施為:當(dāng)檢測(cè)計(jì)算出的功率超過門限值的時(shí)候,發(fā)射機(jī)立即切換為接收狀態(tài)。且當(dāng)再次發(fā)射的時(shí)候,發(fā)射功率應(yīng)減半,然后再逐步提升功率至額定值。
2.2.2 發(fā)射機(jī)駐波保護(hù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
駐波比(SWR)全稱為電壓駐波比(VSWR)。在無線電通信中,天線與饋線的阻抗不匹配或天線與發(fā)射機(jī)的阻抗不匹配,高頻能量就會(huì)在天線產(chǎn)生反射波折回,和入射波在天饋系統(tǒng)匯合產(chǎn)生駐波。駐波比可以反應(yīng)天饋系統(tǒng)中的駐波特性,檢驗(yàn)饋線傳輸效率。電壓駐波比過大,將縮短通信距離,反射功率將返回發(fā)射機(jī)功放部分致其燒壞,影響通信系統(tǒng)正常工作。因此有必要進(jìn)行駐波保護(hù)。
硬件上,通常采用的保護(hù)電路有:基于隔離器的保護(hù)電路、基于環(huán)行器的駐波保護(hù)電路和基于雙向定向耦合器的反射保護(hù)電路[5]。軟件上,則需要采集功率的正向和反向電壓,通過計(jì)算得到駐波比。然后根據(jù)駐波比的大小采取相應(yīng)的保護(hù)措施。
駐波比(VSWR)與正向、反向功率電壓的關(guān)系如下:
式中,ρ=V-/V+,V-為反向功率電壓檢測(cè)平均值減去對(duì)應(yīng)頻段的噪聲電平,V+為正向功率電壓檢測(cè)平均值減去對(duì)應(yīng)頻段的噪聲電平。
理想情況下,完全無反射時(shí),駐波比為1,但實(shí)際情況下,始終存在著反射,因此采取的保護(hù)措施為:①VSWR<2,不做任何處理; ②2≤VSWR<3,發(fā)射功率降半;③VSWR≥3,關(guān)閉發(fā)射機(jī)。
2.2.3 發(fā)射機(jī)溫度保護(hù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
溫度保護(hù)也是發(fā)射機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中一個(gè)重要設(shè)計(jì)。硬件上通常采用的方法有:傳熱通路盡可能短、其橫截面盡可能大、熱傳導(dǎo)面積盡可能大、發(fā)熱較大的元器件盡可能安裝于散熱器上等[1]。軟件上則主要從溫度的變化考慮增益的變化以及發(fā)射狀態(tài)的控制。根據(jù)檢測(cè)到溫度分階段進(jìn)行控制,溫度控制設(shè)置3個(gè)門限,從小到大,具體的值確定需要根據(jù)實(shí)際的測(cè)試來確定。當(dāng)溫度超過第一個(gè)門限時(shí),發(fā)射功率適當(dāng)降低;當(dāng)溫度超過第二個(gè)門限時(shí),發(fā)射功率再適當(dāng)降低;當(dāng)溫度超過第三個(gè)門限時(shí),關(guān)閉發(fā)射機(jī)。當(dāng)再次發(fā)射時(shí),發(fā)射功率先減半,然后根據(jù)溫度情況逐步提高發(fā)射功率。
發(fā)射機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是研究的熱點(diǎn)之一,文中基于當(dāng)前新的平臺(tái),探討和提出了短波電臺(tái)發(fā)射控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,并在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證和應(yīng)用,具有一定的理論和實(shí)際意義。但由于目前發(fā)射機(jī)系統(tǒng)射頻組件的輸出特性具有不一致性,因此如何進(jìn)一步的將發(fā)射功率控制到更小的誤差范圍、提高檢測(cè)參數(shù)的準(zhǔn)確性、提供高可靠效性的發(fā)射系統(tǒng)保護(hù)值得進(jìn)一步的研究。
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